книги из ГПНТБ / Кузьмин, А. Д. Физика планеты Венера

н о Гл. IV. СТРУКТУРА НИЖНЕЙ АТМОСФЕРЫ

мами n-ii степени. Формальная ошибка, определяемая с учетом оговоренных погрешностей измерений, дискрет­ ности телеметрии и методики обработки, не превосходит по температуре и давлению оТр + 5—10% от номиналь­ ных значений (при п = 2—3).

В эксперименте на станции «Венера-7» (см. рис. 37) температура измерялась одним прибором непрерывно от уровня с Т = 300 °К вплоть до поверхности планеты. Отсутствие последовательного опроса различных датчи­ ков бортовым телеметрическим коммутатором, к сожа­ лению, не позволило провести измерения давления атмо­ сферы, высотный профиль которого был получен расчет­ ным путем. Вертикальные отрезки на аппроксимирующей экспериментальные данные кривой Т (t) отмечают предель­ ные ошибки в измерении температуры. Как видно из рис. 37, температура непрерывно возрастала, и в момент по­ садки на поверхность достигла 747 °К. Анализ радиосиг­ налов после посадки, проведенный Александровым и др. [9], показал, что это значение сохранялось неизменным в течение 50 сек, а вслед за тем регистрировалась темпе­ ратура, соответствующая предыдущей телеметрической гра­ дации, которая на 17 °К ниже. Причину такого изменения можно объяснить, если принять во внимание, что темпе­ ратура 747 °К находилась вблизи границы перехода с од­ ной телеметрической градации на другую в пределах не­ скольких градусов. В этом случае даже незначительное изменение условий теплообмена датчика с окружающей средой после посадки могло привести к переходу на преды­

может быть принята температура ночной атмосферы Ве­ неры у поверхности в месте посадки «Венеры-7» Та — 747+ + 20 °К.

На этом же графике приведены результаты измерений температуры и давления атмосферы Венеры на освещенной стороне по данным «Венеры-8». Обозначения экспери­ ментальных точек соответствуют показаниям отдельных

датчиков. Сплошные кривые Т (t) и Р (t) соответствуют результатам осреднения экспериментальных точек ап­ проксимирующими полиномами, пунктир обозначает до­ верительные интервалы. Наибольшая неопределенность имеет место в начале измерений по давлению из-за значи­ тельных ошибок гаирокодиапазонных датчиков; поэтому в интервале до Р ^ 5 кг/см2данные измерений уточнялись с учетом дополнительных характеристик по аэродинамике

Рис. 38. Плотность атмосферы в зависимости от времени по измерениям н

«Венере-4» и «Венере-5» (сплошные кривые). Пунктир — расчет по уравнению

гидростатики и измеренным Р иТ при р = 43,4.

парашютного спуска. Температура и давление в атмосфе­

и 93 кг/см2 в момент посадки аппарата на поверхность и после посадки оставались неизменными. С учетом возмож­ ных погрешностей измерений на поверхности в месте по­ садки «Венеры-8», имеем Т — 743 + 8 °К; Р = 93 +

+1,5 кг!см2.

На рис. 38 показаны в зависимости от времени получен­

ные в экспериментах на АМС «Венера-4, 5» кривые измене­ ния плотности [1, 4]. Величины плотности могут быть рас­ считаны также по уравнению состояния газа при молеку­ лярном весе ft, соответствующем измеренному составу атмосферы Венеры. Как видно из рис. 38, данные изме­ рений плотности не согласуются с результатами расчетов по измеренным значениям давления и температуры при

в условиях гидростатического равновесия, а коэффици­ ент аэродинамического сопротивления спускаемого ап­ парата сохраняется в процессе спуска неизменным. Тогда при известном газовом составе атмосферы скорость спус­ ка и пройденный аппаратом путь на участке парашюти­ рования в зависимости от времени спуска v (t) и z (t) мо­ гут быть с хорошей точностью рассчитаны по измеренным Р (t) и Т (t) из уравнений гидростатики и газового состоя­ ния и независимо с использованием уравнения квазирав­ номерного спуска на парашюте. Допущение о том, что в спокойной атмосфере СА движется со скоростью, практи­ чески совпадающей со скоростью квазиравномерного спуска, вполне оправдано. Нестационарность может не­ значительно сказаться только при больших скоростях движения и ее влияние уменьшается пропорционально кубу скорости.

средняя плотность спускаемого аппарата, Сх (а) — коэф­

время.

*) Для парашютов, использовавшихся на стапциях «Венера», величина угла а была незначительной, т. е. продольная ось систе­ мы «парашют — СЛ» практически совпадала с направлением на­ бегающего потока.

114 Гл. IV. СТРУКТУРА НИЖНЕЙ АТМОСФЕРЫ

Из (IV.3) имеем

P i

Из (IV.5) непосредственно следует:

( I V . 8 )

При этом вертикальная и горизонтальная компоненты скорости спуска запишутся в виде

где у0 — угол планирования. На участке парашютиро­ вания без большой погрешности можно принять Vy = v' , т. е. собственное движение СА при отсутствии ветра яв­ ляется вертикальным, что не противоречит данным на­ земных испытаний. Соответственно:

(IV.10)

где через А обозначена совокупность постоянных

Погрешность определения скорости и пройденного пути в рассмотренных случаях обычно составляет соот­ ветственно доли метра в секунду и доли километра.

Зависимости скорости спуска v и пройденного пути z от времени для аппаратов «Венера-4 — 6», вычисленные из уравнений (IV.6) и (IV.7), приведены на рис. 39 (пунк­ тир — скорость, сплошные линии — пройденный путь). Расчет г/ (t) и z (t) по формулам (IV.8) и (IV.10) дает прак­ тически совпадающие кривые. За начало интегрирования для пройденного пути (сверху вниз) принят уровень в ат­

мосфере, соответствующий давлению 0,6 кг/см2. На этой же оси указаны значения скорости спуска. Справа нане­ сены величины давления, отвечающие масштабу длины z по оси ординат, согласно модели атмосферы Венеры, при­ веденной в Приложении. Временной масштаб по оси

Рис. 39. Скорость спуска и пройденный путь в функции времени д л я станций «Венера-4, -5 и -6» с привязкой к высоте над поверхностью . Сплошные линии — пройденный путь г в атмосфере, пунктир — скорость спуска и. Отмечены мо­ менты раскры тия параш ю та и окончания измерений. Справа по оси ординат—

меров; значениям высот соответствуют вертикальны е отрезки прямых. П рямые со стрелками, проведенные от оквипотенциального уровня (Р = 6,6 кг/см2), указы ваю т локальны е и средний уровни поверхности по совокупности все измерений высоты.

абсцисс для удобства построения принят различным в связи с существенно различающимися временами спуска АМС в атмосфере.

Из расчетов следует, что значения скорости при спус­ ке в атмосфере Венеры изменялись монотонно в пределах от 11 до 3 м/сек для «Венеры-4», от 32 до 6 м/сек для «Ве­ неры-5» и от 22 до 6 м/сек для «Венеры-6». «Венера-4» про­ водила измерения от момента раскрытия основного пара­ шюта до момента прекращения радиосвязи со станцией

34,2 км.

Кривые z (t) на рис. 39 с хорошей точностью обеспе­ чивают привязку к высоте данных измерений параметров атмосферы внутри интервала от начала спуска до момен­ та прекращения радиосвязи. Очевидно, чтобы установить, каким уровням в атмосфере отвечает кривая z (t), необ­ ходимо по крайней мере одно измерение истинной высоты над поверхностью в процессе спуска аппарата или знание момента посадки на поверхность.

Из сопоставления измеренных «Венерой-4» значений Т и Р с результатами наземных радиоизмерений и данны­ ми «Маринера-5» следовало ожидать, что при наиболее вероятном значении радиолокационного радиуса Венеры атмосфера значительно глубже уровня окончания изме­ рений «Венеры-4» [3, 87, 95, 291]. Эксперименты на стан­ циях «Венера-5 и 6» позволили осуществить более надеж­ ную привязку участков спуска. На рис. 39 стрелками по­ казаны расстояния от каждого аппарата до поверхности, определенные по радиовысотомеру в моменты времени, со­ ответствующие прохождению номинальных значений вы­ сот (/i15, h25, h35 — для «Венеры-5», hie, h26 — для «Ве­ неры-6»). Они позволяют установить соответствие между параметрами атмосферы и высотой от поверхности. Рас­ стояния, соответствующие интервалам между отметками радиовысотомера, могут быть сопоставлены со значения­ ми пройденного пути, рассчитанными но уравнению гид­ ростатики. Для удобства сравнения основные данные

отметкам радиовысотомера, Az — соответствующие момен­ там измерения высоты отрезки пройденного пути, вычис­

Как видно, отрезки пути, пройденные каждым аппара­ том и определенные как разности высот между последо­ вательными отметками радиовысотомера, удовлетвори-

*) С учетом экстраполяции последних показаний радиовысотомера.

тельно согласуются с вычисленными по формуле (IV.7). Небольшие отклонения (менее 1,3 км), показанные на рис. 39 и в табл. 10, лежат в пределах погрешностей измере­ ний высоты и могут быть, кроме того, объяснены релье­ фом местности при возможном боковом сносе аппаратов ветром.

На рис. 39 нанесены также условные средние поверх­ ности для каждого аппарата, полученные путем арифме­ тического осреднения измеренных высот с весами, обрат­ но пропорциональными ошибкам измерений. Используя: условие, что давление в атмосфере одинаково на эквипо­ тенциальном уровне, можно сопоставить положения райо­ нов спуска «Венеры-5» и «Венеры-6». В качестве опорного» примем эквипотенциальный уровень с давлением Р =

высотомера «Венеры-5» и вблизи которого (при Р = 6,8 кг/см2) получено первое показание радиовысотомера «Ве­ леры-6». Положение этого уровня над условной средней поверхностью, определяемой но измерениям «Венеры-5», составит hu5 = 40,6 км, а над условной средней поверх­ ностью, определяемой по измерениям «Венеры-6» — hm = = 33,0 км. При совмещении указанным способом первых показаний радиовысотомеров «Венеры-5» и «Венеры-6» кривые зависимостей пройденного пути от времени z (t) для обоих аппаратов практически совпадают. С учетом последующих значений измеренных высот среднее между hu5 и hw расстояние от эквипотенциального уровня Р — = 6,6 атм составит h — 36,8 км. Графические построения на рис. 39 иллюстрируют сказанное.

В табл. 10 приведены оценки точности измерений вы­ соты на АМС «Венера-5 и 6». Среднеквадратическая ошиб­ ка измерений сгРв слагается из независимых аппаратур­ ных оа и методических ошибок. При этом под сга понимается среднеквадратическая ошибка калибровки радиовысотомера, а под сгм — методическая средне­ квадратическая ошибка определения высоты по максимуму «огибающей», учитывающая отличие закона обратного рассеяния радиоволн поверхностью планеты от зеркаль­ ного и дискретный характер передачи «огибающей» во вре­ мени и по амплитуде. Среднеквадратическая ошибка оп­ ределения разности высот h15 и hia на эквипотенциальном уровне оказывается равной 3РВ ~ 1,4 км, а среднеквад­ ратическая ошибка в определении расстояния между ус­ ловными средними поверхностями по данным АМС «Ве- нера-5 и 6», учитывающая совокупность всех измерений высоты, 5рв ^ 1,0 км. Ошибки в оценке hv5 и hm, опреде­ ляемые независимо для каждого аппарата, получаются

Разности б между А/гРВ и Az, приведенные в табл. 10 и рассматриваемые как случайные ошибки измерений, ук­ ладываются в пределы + (тРВ от измеренных высот.

Результаты проведенного рассмотрения дают основа­ ние исходить из представления о средней поверхности для охваченного измерениями обоих аппаратов района плане­ ты, отстоящего на среднем расстоянии h = 36,8 км от эк­ випотенциального уровня с Р = 6,6 атм. При этом ло­ кальные уровни поверхности по измерениям «Венеры-5» и «Венеры-6» оказываются расположенными соответст­

венно на Ah = 3,8 км ниже и выше среднего. С учетом

оцененных ранее значений прв и сгрв можно в качестве предельных отклонений от положения средней поверх­

ности указать величины Z, = (Ah + 3,4 км), которые, од­ нако, значительно менее вероятны. Можно предполагать, что различие в положении локальных поверхностей свя­ зано с рельефом планеты в районе спуска. Если аппараты «Венера-5 и 6» опустились на расстоянии d ~ 300 км друг от друга (табл. 7), то отмеченному перепаду высот дол­ жен соответствовать средний уклон поверхности 0 ~ 1°,5.

На «Венере-7» и на «Венере-8» скорость спуска аппара­ тов в атмосфере Венеры v (t) определялась непосредствен­ но по отклонению частоты принимаемого на Земле сиг­ нала от опорной частоты / 0 бортового генератора. За­ регистрированному изменению частоты отвечают кривые vi)(t) и z (t), показанные на рис. 40. Из рассмотрения кри­ вой Vj) (t) хорошо видно, как происходил спуск «Венеры-7»,

в частности, моменты разрифовки парашюта в 08h13m03s

и возрастания скорости спуска в 08h19m08s, которым от­ вечает поведение кривой Т (t) на рис. 37. Посадка аппара­ та произошла в 08h37m32s при скорости около 16 м/сек. В этот момент было зарегистрировано резкое изменение частоты принимаемого сигнала (отскок частоты), которое соответствовало уменьшению скорости аппарата относи­ тельно планеты до нуля.

Расчет скорости спуска производился различными спо­ собами, с использованием соотношений (IV.6), (IV.8). Помимо измеренной температуры ТКЯ№(t), дополнитель­ но использовалась модельная зависимость р [К), соответ­ ствующая допущению об адиабатичности атмосферы во всей области спуска. Вычисленные кривые находятся в хоро­ шем согласии с измеренной кривой v (t) на участках, на которых аэродинамические характеристики мало отли­ чались от расчетных.